专利名称：数字化分量质子磁力仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用质子旋进方式测量地磁场强度的磁力仪，尤其是能够用数字化方式进行地磁总场与分量测量以及具有对补偿电流进行自动标定功能的分量质子磁力仪。
背景技术：
目前，在我国地震地磁观测台站普遍使用的地磁绝对观测仪器是质子旋进磁力仪，它们都是从地质地磁仪器演化过来的，自动化程度低，一般只能测量地磁总场强度，在测量地磁分量时，需要外加一个或两个恒流源配合分量线圈进行分量观测，往往只能做到手动选频、手动观测和手动标定。利用进口仪器外加恒流源改装的分量测量装置，虽然能够做到连续观测，但由于其恒流源是外加的模拟电流源，因而电流的选择和标定还是需要手动来进行；这种改装的分量测量装置，由于仪器本身不具备磁偏角的测量功能，因而不能用仪器直接测得磁偏角D的值，需要借助其他手段计算才能得到。随着信息技术与网络技术的迅猛发展，各种观测仪器也正朝着信息化、网络化方向发展。因而，目前普遍使用的质子旋进磁力仪，在进行分量观测时存在着许多不足，已经远远不能满足信息时代的发展要求，因此地磁核旋观测技术应紧跟信息技术与网络技术的发展，实现数字化观测、传输与存储。
发明内容
为了克服目前地震地磁观测台站普遍使用的质子磁力仪的诸多不足，满足地震地磁观测台站的不同需求，适应远程无人值守的数字化观测的需要。本发明提供了一种数字化分量质子磁力仪，该数字化分量质子磁力仪不仅能够根据选择在自动或手动状态下测量地磁总场和分量及其组合，而且能够用数字化方式输出补偿电流，并且能够对补偿电流进行数字化方式的设置、选择和标定。该数字化分量质子磁力仪能够对测量信号实施数字化选频与自动跟踪，并可以匹配不同参数的探头和一定范围内任意长度的信号传输线。该数字化分量质子磁力仪的通信工作方式是灵活的、可选择的，通信波特率和通信协议都可以根据需要进行设置。该磁力仪的实时时钟是软件时钟与硬件时钟同步运行时钟，并可以用多种方式对其进行校时，确保了时钟的可靠性与精确性。
本发明的原理框图如附图1，控制软件主流程图如附图2。
本发明的所采用的技术方案1.质子旋进磁力仪的基本测量原理具有自旋磁矩和自旋角动量的质子，在地磁场的作用下，会产生一个以地磁场方向为轴的拉莫尔旋进，其旋进频率与地磁场强度的关系为F＝2πfp/γp＝23.487215fp(1)式中T为地磁场强度，单位为nT；fp为质子旋进频率，单位为Hz；γp为旋磁比，γp＝0.26751513·108弧度/特斯拉·秒；(1994年国际科联科技委员会推荐)本发明就是利用上述原理测量地磁场强度的，仪器的探头由无磁性外壳和线圈组成，线圈内充满高纯度的煤油，煤油中含有大量的氢质子，质子旋进时在线圈中产生感应电动势，其频率与质子旋进频率相同。测量时将线圈轴线置于磁东西方向上，先在线圈中通以强电流，强迫质子磁矩沿线圈轴线方向排列，此过程称之为磁化。然后断开电流，质子磁矩将围绕地磁场作旋进运动，并在探头线圈中产生感应电动势。在探头容器中液体的极化时间越长会使越多的质子向极化场的方向取向，这意味着在测量中能得到持续时间长的较强的信号，使得测量磁场的分辨率可以得到提高。根据极化场的大小，通常情况下，极化时间在2-6秒，在本发明中，选择的极化时间为4秒。
由于在探头中产生的电动势非常微弱，仅在微伏级，因此必须进行选频放大，把信号放大到足够的强度，才能进行测量。测出线圈感应电动势的频率，应用公式(1)，便可求出地磁场的值。
本发明与赫姆霍茨线圈配合，分别可测量地磁总场F，水平分量H(或垂直分量Z)、磁偏角D及其之间的组合。
测量地磁总场F时，补偿线圈不通电流。
测量水平分量H时，需要在补偿线圈中产生一垂直磁�。窒舻卮抛艹〉拇怪狈至縕。
测量水平分量Z时，需要在补偿线圈中产生一水平磁�。窒舻卮抛艹〉乃椒至縃。
测量磁偏角D的方法较为复杂，是按照一定的几何关系测量并计算而得到的。
2.数字化选频放大与自动跟踪技术2.1数字化选频在质子磁力仪测量系统中，探头是感性元件，所测量的信号是频率信号，本数字化分量质子磁力仪就是利用LC并联谐振回路进行选频测量的，根据谐振公式f=12πLC------(2)]]>(式(2)中L是探头的电感量，C是仪器中的配谐电容值，f是LC谐振回路的中心频率。)只要使探头的电感量L和仪器中配谐电容C较准确地配谐，就会使回路的谐振频率f共振在探头中质子旋进频率fp的附近，使仪器能选到正确的测量信号。探头的电感量是个固定值，其电感量生产厂家一般都要说明，也可以用专用仪器测量得到。只要能根据需要测量的信号频率给出较为准确的配谐电容值C，就能将该频率信号选取出来。
由式(2)可得C=1(2πf)2·L-----(3)]]>式(3)中，探头电感量L为已知的常数，要得到需要配谐的电容值C，必须确定共振回路的中心频率f，这个频率必须与探头中质子旋进频率fp的接近。一个地区磁场的大致范围是可以知道的，即使不知道，我们也可以在一定内范围内估计一个值，将该地区的大致磁场值或估计值T0设置到本发明中，并在本发明中以此值计算出相对应频率F0，并确定为共振回路的中心频率f，并以此频率计算出配谐电容的值C0。即C0=1(2πF0)2·L-------(4)]]>其中F0＝T0/23.487215，单位为nT。
将计算得出的配谐电容值转换成二进制位权码，并用来控制电容矩阵电路，对质子旋进的感应信号进行数字化选频。如果磁场值T0所对应的频率F0越接近需要测量的信号频率fp，所计算出的配谐电容值就越精确，在共振回路中得到的信号就越强。
2.2自动跟踪技术为了能够在共振回路中连续得到较强的测量信号，我们采用了选频自动跟踪技术，由于本数字化分量质子磁力仪自动连续测量的是分钟值，而地磁场的变化相对又比较缓慢，一分钟之内变化最多也就是几个nT；因此，前一分钟的信号频率与后一分钟的信号频率非常接近。利用地磁场变化的这一特性，我们依据前一分钟测量值Ti算出相应的信号频率Fi，并作为下一次信号测量时选频回路的中心谐振频率fi，以此，根据公式(4)得到需要的配谐电容值Ci。依据这个原理，不断地用上次的测量结果，对下一次测量进行自动选频，这就是本分量质子磁力仪选频的自动跟踪原理。为了防止干扰对选频跟踪的影响，在本发明的实际设计中，采用上两次测量结果的平均值对下一次测量进行自动跟踪选频。
2.3探头参数、信号线分布电容的匹配与修正方法为了克服一种仪器只能匹配一种参数的探头和信号传输线不能任意长短的不足。在本发明中，可以将探头的参数通过仪器键盘设置在本发明中，使参与数字化选频运算的探头参数成为可以设置的常数，为本发明可以匹配不同参数探头提供了方便。此外，由于信号线存在分布电容ΔC，使得选频共振回路的选频电容值成为C+ΔC；如果ΔC的值较大的话，将使选频回路的共振频率较多地偏离应该测量的质子旋进频率，使选频的信噪比下降，甚至会导致仪器得不到所要的信号。由于探头信号线的分布电容可以用仪器测量得到，如果能通过键盘将分布电容ΔC设置到仪器中，并在进行数字化配谐时扣除分布电容ΔC的影响，就可以实现较准确的选频配谐。在本发明中，利用这种方法，有效地解决了信号线分布电容给仪器测量造成的影响，并可以使信号传输线在一定范围内任意长短，为用户的使用提供了方便。
3.信号测量的方法(等周期分频计数测量原理)探头中线圈感应电动势的频率信号经选频放大以后，现在就是怎样来测量了。测量这个频率的方法有好多种，本数字化分量质子磁力仪采用的是等周期分频计数测量法，就是利用磁场测量的自动跟踪值或设定值所对应的质子旋进频率按固定周期计算一个分频比，并将需要测量的频率信号按这个分频比进行分频，然后测量分频后信号的一个正向脉冲宽度(半周期)。
具体做法是以此脉冲作为门控信号，计数单片机内部周期的方波个数来求得此脉冲的宽度，从而算出被测量信号的频率，以此便可得出需要测量的地磁场。本仪器采用的单片机晶振频率为12MHz的温补晶振，其机器周期为1μS。设K为利用跟踪值或设定值T0所对应的质子旋进频率按固定周期t计算的分频系数，探头磁化后质子旋进信号的频率为fp，其周期为1/fp，此信号放大整形后成为方波信号，经K分频后，其方波周期为K/fp，用单片机系统测其正向脉宽(半周期)为N(单位μS)，便可算出磁场强度T的值。它们符合下列关系K=t·T0234872.15]]>(t为固定分频周期，本发明中取0.71s) (5)12·K·1fp=N·10-6-------(6)]]>由于fp＝T/23.487215，将fp代入上式(6)，并整理得到T=K·23.487215·1062N(nT)------(7)]]>以上就是本数字化分量质子磁力仪对测量的频率信号进行测量的等周期分频测量法。
4.分量补偿测量原理与数字化标定方法4.1补偿原理在分量核旋仪测量垂直分量Z时，需要在霍姆赫兹补偿线圈中通过一电流，使之产生与水平分量H相抵消的磁场；同样在测量水平分量H时，需要在补偿线圈中产生一磁�。缘窒怪狈至縕。现在以测量水平分量H为例，说明一下分量测量的原理和方法。即HP=H2+(Z1-Z)2------(8)]]>HP为分量核旋仪测量水平分量的读数，H是地磁场的水平分量，Z1是霍姆赫兹补偿线圈中产生的抵消磁场，Z是地磁场的垂直分量。只有在Z1＝Z时，才有HP＝H，即所观测到的值才是需要观测的值。而实际上，地磁场的垂直分量是一个不断在变化的量，再有其他因素的影响，难以做到|Z1-Z|始终绝对为零，但是要求|Z1-Z|的值越小越好，一般地应满足|Z1-Z|＜100nT。
对(8)式作二项式展开，且取前两项可得HP=H+(Z1-Z)22H--------(9)]]>(9)式中Z1＝η·I，η为霍姆赫兹线圈常数，I为线圈中通过的电流，则(9)式转化为HP=H+η2(I-Hη)22H-----(10)]]>为了求解方便，令η2/(2H)＝a，H/η＝I0，则(10)式变为HP＝H+a(I-I0)2(11)分量核旋仪所观测到的H值均应满足上面的方程式(11)，即(I，H)各点均应落在由式(11)所确定的抛物线上。从式(11)可以看出I＝I0时，抛物线有极小值HP＝H，此时所测量到的就是水平分量，此时的电流值I0就是需要求得的补偿电流值。
同理可以求得垂直分量满足关系ZP＝Z+a(I-I0)24.2标定方法式(11)中的H、a、b为待定系数，只要有三组(I，HP)便可以确定所需要求的I0值；因此，可以任意给定三个电流值I1、I2、I3，测出三个相应的H1、H2、H3，建立联立方程组 由方程组(12)可得I0=(H1-H2)(I12-I32)-(H1-H3)(I12-I22)2[(H1-H2)(I1-I3)-(H1-H3)(I1-I2]-----(13)]]>式(13)所求得的b值即为需要求得的水平分量的补偿电流值。
同理可以求得垂直分量的补偿电流为I0=(Z1-Z2)(I12-I32)-(Z1-Z3)(I12-I22)2[(Z1-Z2)(I1-I3)-(Z1-Z3)(I1-I2]-----(14)]]>5.磁偏角的测量原理与偏置电流的标定方法5.1磁偏角的测量原理在本分量核旋仪测量磁偏角相对变化θ时，用与磁轴Z平行的线圈抵消掉Z之后，再用另一组线圈在水平面内分别产生东西方向上的两个方向相反的偏置磁场C+与C-，同时测定偏置磁场C+、C-与水平分量H的合成磁场R+和R-，按照一定的几何关系，便可计算出磁偏角的相对变化量θ。取|C+|＝|C-|，当C+，C-垂直于H时，则|R+|＝|R-|。当测出|R+|＝|R-|时，则C+，C-一定垂直于H，此时H在磁子午线方向上，令此时的H为H0。当水平磁场由H0变为H时，方向变化了一个角度θ，这个角度θ就是磁偏角的相对变化值。如附图6所示。取C+＝C-＝C，此时R+2＝H2+C2+2HC sin θ(15)R-2＝H2+C2-2HC sin θ(16)上两式相减，得R+2-R-2＝4HCsinθθ=arcsin(R+2-R-24HC)------(17)]]>将式(17)进行二项式展开，并用单片机编程计算，便可以求得磁偏角的相对变化量θ，若加上磁偏角的基线值D0，便得到磁偏角的准绝对值D，即D＝D0+θ。
5.2偏置磁场标定方法式(17)中，R+，R-，H是直接测量得到的值，而C是取值，其大小在本分量核旋仪的实际工作中取值等于H0，即C+＝C-＝C＝H0；在计算磁偏角相对变化时，是作为常数参与计算的；C磁场又是在偏置线圈中通过一固定的偏置电流产生的偏置磁�。捎谄玫缌魑榷ㄐ缘挠跋欤孟呷ΤＪ榷ㄐ缘挠跋欤约捌渌蛩氐挠跋欤么懦〔圃谒衙猓蛊么懦〉氖导手荡覥变化到C+ΔC，如果仍然以设定的C值参与计算，将会影响到磁偏角的计算精度。因此在日常观测中，一般使磁偏角的运算误差超过0.01′时，就需要对产生偏置磁场的偏置电流IC进行标定。进行偏置磁场标定的一种方法是将分量线圈旋转90°，依照分量核旋仪首次仪器调试时的方法对其重新进行选取。但这种方法比较麻烦，既费时又费力，对操作人员还要有一定的技术要求，而且在无人值守或远程通信控制的情况下无法实现。
另一种方法，无需将分量线圈转动，用程序控制的方法便可实现。
根据磁偏角的测量原理，由式(15)和式(16)相加得R+2+R-2＝2(H2+C2)若实际的偏置磁场为CP，则有CP=22(R+R+R-2)-2H2------(18)]]>式(18)中，R+，R-，H可以通过直接测量得到，实际偏置磁场CP便可以根据这些直接测得的磁场值计算得出。如果产生偏置磁场的电流和线圈常数都没有漂移，若忽略其他因素的影响，计算得出的偏置磁场C值，应当与初始选定的偏置磁场C0值即H0的值相等。如果不等，说明产生了漂移，就需要对线圈的补偿电流进行标定。
由于CP＝η·I(I为偏置磁场的偏置电流，η为线圈常数，CP为根据式(18)的计算得到的实际偏置磁场值。)
由于I为已知的当前偏置电流，算出CP以后，便可以得出当前的线圈常数ηη=CPI------(19)]]>得到线圈常数η以后，再根据初始设定的C0值(即H0)得到需要得到的偏置电流I0I0=C0η-----(20)]]>6.测项选择功能和方法本发明可以与不同的赫姆霍茨线圈匹配，分别可测量地磁总场F，水平分量H(或垂直分量Z)、磁偏角D及其之间的组合。
本发明提供了对磁场测量可以进行测项选择的功能和方法，它可以根据需要设置不同的测项或测项组合，并根据这种设置进行自动或手动观测。
具体的测项选择设置方法如下
7.双时钟并行工作方式为了克服实时测量仪器中软件时钟容易死机和丢失时钟参数的缺陷以及硬件时钟运行精度较低的不足。本发明采用了双时钟并行工作方式，它利用硬件时钟不停息运行和可设计成看门狗功能的特点，作为启动时钟对软件时钟进行启动运行；本发明的系统晶振采用的是温度补偿晶振，因而利用系统机器周期而设计的软件时钟走时准确，利用这个特点作为实时时钟，并对硬件时钟不断地进行校时。而且为了进一步保证时钟的准确性，还可以通过手动校时、计算机远程通信校时、GPS校时方式，用外时钟对本发明进行校时，确保了本发明时钟系统的运行既准确又可靠。
8.可设置的通信工作方式为了克服一般仪器单一的通信波特率和固定的通信协议方式的不足，满足不同用户对通信波特率和通信协议的不同要求。本发明提供了一种灵活的可设置的通信工作方式，这种通信工作方式在波特率选择方面可以根据用户的需求设置不同的通信波特率，在通信协议方面可以设置成中国地震局制定的前兆通信协议方式、用户自定义通信协议方式。在用户自定义通信协议方式下，用户可以自行定义通信协议。本发明这种灵活的通信工作方式，为远程保密通信提供了条件。
本发明的有益效果是能够根据设置，在自动状态下连续测量或在暂停状态下手动测量地磁总场和分量及其组合，有较强的通用性；能够用数字化方式输出补偿电流，并且能够对补偿电流进行数字化方式的设置、选择和标定；能够对测量信号实施数字化选频与自动跟踪，提高了磁场的测量精度，并可以匹配不同参数的探头和一定范围内任意长度的信号传输线，提高了本发明的适应性；本发明的通信工作方式是灵活的、可选择的，通信波特率和通信协议都可以根据需要进行设置；本发明的实时时钟是软、硬件同步运行时钟，并可以用多种方式对其进行校时，确保了时钟的可靠性与精确性。满足了地磁观测台站的不同需求，能够适应远程无人值守的数字化地磁观测的需要。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的电路原理框图；图2是本发明的控制软件主流程图。
图3是数字化选频放大电路。
图4是等周期分频测量电路。
图5是数字化电流源电路。
图6是磁偏角测量与偏置补偿原理图。
图7是本发明的时钟电路图1中(1)探头、补偿线圈与极化电路，(2)配谐电容网络，(3)信号放大电路，(4)数字滤波电路，(5)等周期分频电路、键盘、显示驱动电路，(6)键盘、显示电路，(7)单片机电路，(8)串行通信电路，(9)时钟与看门狗电路，(10)地址锁存、译码电路，(11)数据存储电路，(12)配谐电容矩阵、数字滤波、补偿电流的控制电路，(13)D/A转换电路，(14)数字化电流源电路具体实施方式
1.数字化选频放大与自动跟踪技术的具体实施方式
数字化选频的具体做法是用数字方式控制电子开关或继电器的导通，以达到控制配谐电容网络电容值的目的。如附图3所示，图中电子开关K1～K10(本发明中采用的是低导通电阻的电子开关MAX313)和电容C1～C10构成了数控配谐电容网络，按二进制位权关系取值的十个电容和电子开关串联后再并联在一起。十位二进制数A1～A10作为十个开关的控制输入，于是输入不同的二进制数，电容网络将有不同的电容值。A1～A10的具体数值是根据式(4)计算出的二进制数，并扣除信号线分布电容值而得到的控制代码。电容网络与探头L并联形成LC选频共振电路，经LC共振电路选出的质子旋进信号，再经由IC1、IC2、IC3组成的测量放大器进行放大。为了更好地得到需要得到的测量信号，放大后的信号又经过由IC4、IC5、IC6、IC7组成的数字滤波器进行滤波，最后由IC7第4脚输出的信号就是与质子旋进信号频率相同，送单片机测量系统进行测量的方波信号。
2.等周期分频测量的具体实施方式
用定时/计数器对经放大处理过的质子旋进频率信号进行等周期分频，分频后的方波信号送单片机测量其正半周期的宽度，以此宽度按照前面所述的公式(7)便可以计算出实际的磁场值。如图4所示，图中的IC3(81C55)是一种单片机并行接口电路，内部有一个14位的定时/计数器，本发明利用这一定时/计数器进行等周期分频，第3脚是信号的输入端，第6脚是信号的输出端；输出后的信号再送到单片机89C55的第13脚INT1端，利用单片机的内部定时/计数器T1测量该脉冲信号正半周期的宽度，从而计算出实际的磁场值。
3.数字化电流源的具体实施方式
用D/A、A/D转换器以及电流输出电路在微控制器的控制下实现闭环的数字式电流输出。如图5所示，U3是一种16位串行D/A转换电路，它在单片机U1的控制下，将设定或修正的16位的数据转换成0～2.5V的电压输出，经过运算放大器U7电压跟随以后，输入给电流控制放大器U4，从而控制由Q1、Q2、D1、R4、R6、R0组成的电流输出电路，A、B端为电流输出端，R0为电流取样反馈电阻，由R0取样得到的电压，一路反馈到U4控制电流的输出，另一路到A/D转换器U6进行A/D转换，转换的结果经接口电路U2送到单片机U1中进行处理，处理后的结果再反馈到D/A转换器U3中，以控制A、B端的输出电流，这样就形成了一个电流闭环控制系统。
4.分量补偿电流标定方法的具体实施方式
利用式(13)或(14)选择抛物线上的三点求得的I0值，有时会因为某些因素的影响产生一些误差，为了最大限度地避免这种误差的产生，在发明的实际设计中，选择了用抛物线上的五点，求解I0值的方法。具体做法是，给定一初选电流I1，测出该电流下三组水平分量的数据，并取其中间值作为H1，然后在I1的基础上分别+4mA、+8mA、-4mA、-8mA，并测得四个三组数据，并分别取其中间值作为H2、H3、H4、H5；仪器根据抛物线上的这五点，以排列组合的方式，用式(13)或(14)分别求得I01、I02、I03……I08、I09共9个I0值。为了避免因某些因素对观测值的影响，仪器在计算时会自动去除这9个I0值中两个最大值与两个最小值，再求剩下的5个I0值的平均值作为需要求得的最终补偿电流值，即I0＝(I01+I02+I03+I04+I05)/5(a)在日常观测进行补偿电流标定时，给定的初选电流I1，就是当前正在观测时的补偿电流；在仪器初次安装调试时，可以用式(b)进行计算选取。
I1=ZR89.918N-------(b)]]>其中，I1为初选补偿电流强度，单位为mA，N为补偿线圈的匝数，R为补偿线圈的半径，单位取cm，Z为测点补偿磁场值或其估计值，单位取nT。
5.偏置磁场标定方法的具体实施方式
为了保证测量与运算精度，在本发明中采用连续测量三组R+，R-，H，根据式(18)分别计算出三组CP(即CP1，CP2，CP3)，并取其中的中间值用式(19)再计算出线圈常数η，得出线圈常数η后，根据初始设定的偏置磁场值C0(即H0)，由式(20)计算出需要得到的偏置磁场的偏置电流I0。
6.实时时钟的具体实施方式
本发明采用了硬件时钟和软件时钟并行工作方式，附图7就是本发明的硬件时钟与单片机的连接图，图中IC1是本发明单片机控制芯片89C55，IC2是硬时钟芯片DS12887，IC3是CMOS与非门电路CD4011。利用硬件时钟不停息运行的特点，在系统上电或复位时将时钟参数传输给软件时钟，启动软件时钟运行。本发明的系统晶振采用的是温度补偿晶振，因而软件时钟走时准确，该时钟作为系统的正常运行的实时时钟，并每分钟对硬件时钟进行校时一次，从而也保证硬件时钟走时的准确性。
由于DS12887具有报警功能，本发明利用这一特点设置了仪器的看门狗电路。其具体实施方法是让系统控制程序定时为DS12887写入报时时间值，当硬时钟运行到该报时时间值时，DS12887将输出一个正脉冲，将此正脉冲经由IC3组成的单稳态电路整形展宽后接至仪器单片机89C55的复位端RESET，使仪器强行复位。
本发明具有三个工作状态即自动状态、暂停(手动)状态和标定状态，因而以上功能的实现在三个不同状态时的做法上有些差异。仪器在自动状态时，系统控制程序在进行一次采样之前，将下一次采样观测的时间作为报时值写入DS12887报警时间单元，这样在程序处于正常运行时，在每次采样之前均会修改一次报时时间值，从而不会有复位脉冲产生。而当由于偶然因素的干扰引起死机时，由于报时值不能及时得到修改，而硬时钟正常计时，当计时到设置的报时时间时，就会产生复位脉冲RESET使系统复位，从而保证仪器处于正常的自动工作状态。
仪器在暂停(手动)状态和标定状态时，系统控制程序将当前进行键盘操作时的时间与仪器设定的报警时间间隔相加，并将相加后的时间写入DS12887报警时间单元，本发明设定的报警时间间隔为30分钟，只要在30分钟以内有键盘操作，将保持现有的工作状态，一旦在30分钟以内没有键盘操作，将启动看门狗功能，使仪器复位，回到自动观测状态。
为了进一步保证时钟的准确性，还可以通过手动校时、计算机远程通信校时、GPS校时方式，用外时钟对本发明进行校时，确保了本发明时钟运行既准确又可靠。
7.通信功能的具体实施方式
本发明的通信方式是一种灵活的通信工作方式，首先用户可以根据需要设置不同的通信波特率，具体实施方式
是由于本发明所使用的单片机芯片是80C52系列的89C55，该芯片内部有三个定时/计数器，即T0、T1和T2，定时/计数器T2是一个16位的、具有自动重装载和捕获能力的定时/计数器，本发明就利用定时/计数器T2作为波特率发生器，并工作在定时工作方式，因此由该定时器产生的波特率为F=fosc2×16×[65536-(RCAP2H,RCAP2L)]------(c)]]>(F为波特率，fosc为单片机晶振频率，(RCAP2H，RCAP2L)为定时/计数器T2的高8位和低8位。)由于单片机晶振频率fosc一定，因此只要(RCAP2H，RCAP2L)确定，波特率F就确定；同样如果波特率F确定，定时常数(RCAP2H，RCAP2L)也就随之确定；如果波特率F改变，定时常数(RCAP2H，RCAP2L)也就随之改变。根据式(c)得(RCAP2H,RCAP2L)=65536-fosc2×16×F------(d)]]>如果用户确定了需要的通信波特率，并将这个值设置到本发明中，本发明将利用式(d)计算出波特率发生器的定时常数，也就决定了(RCAP2H，RCAP2L)的值，这样波特率发生器将产生用户需要得波特率。
在通信协议方面可以设置成中国地震局制定的前兆通信协议方式和用户自定义通信协议方式。在中国地震局制定的前兆通信协议方式下，可进行远程或近程串行数据通信。在用户自定义通信协议方式下，用户可以自行定义通信协议，具体方法是本发明已经将各项通信功能按序号进行了编码，用户只要将自己定义的通信协议的位数(字长)和协议代码按本发明中的通信功能所对应的编码进行设置便可；在这种工作方式下，当本发明接受到通信参数时，将与设置的通信协议进行比较，如果与设置的协议相符将执行与其相符的通信功能。
权利要求
1.一种数字化分量质子磁力仪，由数字化选频放大电路、数控电流源、单片机系统、时钟电路、通信电路及相应的控制软件组成，其特征是能够对地磁总场和分量及其组合进行自动(连续)或手动(暂停)的数字化测量，能够输出数字化补偿电流，并且能够对分量补偿电流、偏置补偿电流进行数字化标定，能够进行精确可靠的实时服务和方式可选的串行通信。
2.根据权利要求1所述的数字化分量质子磁力仪能够对地磁总场和分量及其组合进行数字化测量，其特征是采用数字化选频与自动跟踪技术、数控电流技术、等周期分频频率测量技术，结合数字化选频放大电路、数控电流源、单片机系统对地磁总场和分量及其组合进行自动(连续)或手动(暂停)的数字化测量。
3.根据权利要求1所述的数字化分量质子磁力仪能够对分量补偿电流进行数字化标定，其特征是是根据分量补偿原理和补偿线圈的设计原理，所提出特定方法，并按一定的步骤，结合数字化分量测量的方法，对输出的分量补偿电流在手动、自动或远程状态下进行的数字化选取或标定。
4.根据权利要求1所述的数字化分量质子磁力仪能够对偏置补偿电流进行数字化标定，其特征是是根据磁偏角测量原理和偏置线圈的设计原理，所提出特定方法，并按一定的步骤，结合磁偏角的测量方法，对输出的偏置补偿电流在手动、自动或远程状态下进行的数字化选取或标定。
5.根据权利要求1所述的数字化分量质子磁力仪能够进行精确可靠的实时服务，其特征是同时采用硬件时钟和软件时钟，软件时钟作为实时服务时钟，硬件时钟为看门狗监视与软件时钟的启动时钟，并可以用手动方式、远程通信方式、GPS方式对该时钟系统进行校时。
6.根据权利要求1所述的数字化分量质子磁力仪能够进行方式可选的串行通信，其特征是串行通信波特率可设置、通信协议可选择，并且用户可以自定义通信协议。
7.根据权利要求2所述的数字化分量质子磁力仪进行数字化测量所采用的数字化选频与自动跟踪技术，其特征是利用质子旋进原理和LC并联谐振原理和地磁场变化范围不大的特点，根据设置的磁场跟踪参数、探头参数和信号线分布电容参数，计算LC共振回路的配谐电容，对需要测量的质子旋进信号实施数字化选频；又利用地磁场短时间内变化很小的特点，对需要测量的质子旋进信号进行的数字化选频实施自动跟踪。
8.根据权利要求2所述的数字化分量质子磁力仪能够对地磁总场和分量及其组合进行数字化测量，其特征是本发明能够根据用户的设置，选择F、Z、H、FZ、FH、FHD、FZD其中的一种测项组合，在自动(连续)或手动(暂停)状态下实施总场、分量或其组合的测量。
9.根据权利要求2所述的数字化分量质子磁力仪的等周期分频频率测量技术，其特征是利用磁场测量的自动跟踪值或设定值所对应的质子旋进频率按固定周期计算一个分频比，并将需要测量的频率信号按这个分频比进行分频，然后测量分频后信号的一个正向脉冲宽度(半周期)，并依据对这个半周期的测量结果计算实际的磁场值。
10.根据权利要求3所述的对分量补偿电流进行标定的特定方法，其特征是根据分量补偿原理，对公式HP=H2+(Z1-Z)2]]>(水平分量)或ZP=Z2+(H1-H)2]]>(垂直分量)进行二项式展开，并取前两项，再根据补偿线圈设计原理，经变换得到HP＝H+a(I-b)2(水平分量)或ZP＝Z+a(I-b)2(垂直分量)再用联立方程求得需要的补偿电流b值的方法。
11.根据权利要求4所述的对偏置电流进行标定的特定方法，其特征是根据磁偏角测量原理，对合成磁场R+、R_和水平分量H进行测量，计算求得实际的偏置磁场CP；再根据偏置线圈设计原理，计算求得线圈常数η，再根据求得的线圈常数η，和实际需要的偏置磁场C0，计算求得实际需要的偏置补偿电流I0的方法。
12.根据权利要求7所述的数字化选频技术还包括对不同参数的探头和不同长短的信号传输线具有适应能力，其特征是将探头参数与信号线分布电容参数作为可设置、可修正的常数用软件方法设置到本发明中，参与LC共振回路配谐电容的计算，扣除信号线分布电容对配谐选频的影响，使数字化选频更为精确的方法。
全文摘要
一种能够测量地磁总场和分量及其组合的数字化分量质子磁力仪。它由数字化选频放大电路、数控电流源、单片机系统、时钟电路、通信电路及相应的控制软件组成。它是根据质子旋进原理，采用等周期分频频率测量法对磁场强度进行测量。它能根据设置，在自动或手动状态下进行F、Z、H、FZ、FH、FHD、FZD多种分量组合的测量，并能够在手动、自动或远程控制下对分量补偿电流、偏置电流进行自动化选取或标定；它具有数字化选频与自动跟踪功能，并可以匹配不同参数的探头和一定范围内任意长度的信号传输线；具有灵活的通信工作方式和可靠、准确的时钟功能；可以实现对地磁场强度进行远程无人值守的数字化观测。
文档编号G01V3/40GK1553218SQ0313160
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月29日 优先权日2003年5月29日
发明者稽才建, 夏忠 申请人:稽才建, 夏忠
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